Продолжение про дизель.
Технология очистки от сажи в виде фильтра DPF прогрессировала, и стала практически обязательной в Европе с 2005-го. Было понятно, что для вывода сажи из фильтра требовалось либо постоянно отжигать его, либо сервисам переходить на периодическое снятие и механическую очистку. Как например это было сделано в грузовом сегменте, где фильтрация частиц была внедрена чуть ранее, чем в легковом.
В легковом это было как и в 80-х годах проблематичным, так как требовало создания одновременно герметичного и быстроразборного корпуса, как на грузовиках.
При этом очень компактного, чтобы уместиться рядом с двигателем, и очень аккуратных исполнителей, чтобы не повредить хрупкую поризованную керамику фильтра, как раз частицы и задерживавшую, при демонтаже, очистке и обратном монтаже.
Поэтому, для легкового сегмента остался отжиг, но одномоментный при заполнении фильтра требовал температурного окна выше 600 градусов, узкого, чтобы не перегреть его, с сопутствующим этому разрушением керамического ядра. Чтобы заполнение отсрочить, понадобилась гибкая система впрыска, дозирующая избыток топлива и его фазирование так, чтобы делать это постоянно, и незаметно для пользователя. Здесь и выручил Common Rail, с легко реализуемым в нём пост-впрыском.
Но, на небольших нагрузках, характерных для города, и он не давал нужной температуры выхлопных газов, поэтому периодический одномоментный отжиг, требующий движения на повышенных нагрузках в течении некоторого времени, переложили на пользователя, с соответствующей индикацией о его необходимости на приборке. Если он её игнорировал, то отжиг производился уже у дилера, при плановом сервисе. Если пользователь игнорировал и ездил чрезмерно долго без него, и фильтр окончательно забивался, то уже с заменой фильтра у дилера.
Даже при регулярном отжиге фильтр неизбежно и последовательно забивался остатками сгорания масла, в виде золы, практически неустранимыми без разборки его корпуса. Поэтому снижение уровня несгораемых остатков в масле потребовало как инвестиций со стороны промышленности нефтепереработки (Low-SAPS масла), как и времени.
Несмотря на это, остатки в масле предопределили срок функционирования DPF до замены, срок устаревания авто на вторичном рынке, и поэтому скорость его обесценивания у первого владельца. Как отражение этого факта, но вторичном рынке стран активно вывозящих дизельную бушку из Европы появились услуги физического удаления DPF, с программной коррекцией кода ЭБУ, который этот факт распознавал по величине перепада давления до и после фильтра, через датчик давления. Это отражало рост стоимости владения машиной с дизельным двигателем, с внедрением технологий очистки, уже неприемлемый для стран со средними и невысокими доходами, при сохранении нормы прибыли, требуемой производителями фильтров, и официальными дилерами.
На небольших нагрузках, характерных для трассового режима, и города, основную роль в снижении оксидов азота брали на себя система впрыска, и EGR, смещая баланс выбросы частиц-выбросы оксидов азота-расход топлива, в пользу минимизации оксидов, за счёт роста расхода топлива и выбросов частиц.
На больших требовались уже катализаторы оксидов азота.
Удачно совпало, что в середине-конце 90-х в Японии в погоне за улучшением экономичности бензина активно велись работы над его непосредственным впрыском, в режиме его работы с сильно обеднённой смесью на небольших нагрузках, а-ля дизельном. Мотор с ним, как и дизель, поэтому работал с избытком кислорода, и поэтому же начал выбрасывать много оксидов азота. Что в свою очередь стимулировало большую исследовательскую активность в области их устранения, и разработку специализированных катализаторов. Которая к началу 2000-х завершилась разработкой двух работоспособных концепций, а именно регенерируемой катализаторной ловушки LNT-NSC, и аммиачного катализатора SCR.
Первая технология, LNT-NSC (для краткости LNT), адсорбировала оксиды азота при температуре газов когда их конверсия была ещё невозможна, то есть в режиме малой отдачи, и десорбировала их с последующей конверсией, когда можно было эту температуру повысить, либо за счёт увеличения пост-впрыска топлива в режиме малой отдачи, либо просто в режиме средней.
Но, при работе на высокосернистом топливе адсорбирующая поверхность зарастала сульфатами, и эффективность резко снижалась. Для устранения этого требовалось либо отжигать сульфаты, либо всей нефтехимической отрасли делать модернизацию процессов, и переходить на выпуск малосернистого топлива.
Первое было проще, но приводило к росту расхода топлива, и требовало узкого температурного окна, в 600-750 градусов. Для чего снова нужна была гибкая система впрыска, точно дозирующая избыток топлива и его фазирование так, чтобы отжигаемый LNT и не перегрелся, и не выпал из этого окна по температуре. Высокие температуры отжига к тому же быстро снижали эффективность катализатора.
Второе требовало инвестиций со стороны промышленности нефтепереработки, и времени на осуществление. Было практически реализовано в Европе c 2005-го (EU-4 дизтопливо, снижение с 350 до 50 ppm, к 2009-му EU-5, до 10 ppm). В США, начиная с 2006-го, с завершением перехода в 2010-м (ULSD дизтопливо, снижение с 500 до 15 ppm).
Ещё, LNT метод требовал точного температурного окна для устойчивой адсорбции-десорбции, и преобразования, и имел ограничение по величине накопления оксидов азота при разумных габаритных размерах, что предопределило его применение на нетяжёлых машинах, с невысокой пиковой отдачей мотора.
Катализатор SCR, более подходящий для тяжёлых машин по массогабаритным и стоимостным параметрам, использовал для преобразования уже внешний агент, аммиак.
В пассивном варианте он работал на его потоке от LNT, и поэтому был сравнительно малоэффективным, однако в таком режиме он всё же дополнял преобразовательную способность LNT, позволяя применять их комбинацию на более мощных, чем просто с LNT, моторах.
Для дальнейшего повышения эффективности аммиак в него впрыскивался принудительно, и, так как в чистом виде его хранение небезопасно и технически проблематично, решили хранить его в авто в баке, подогреваемом, в виде более удобного карбамида, или мочевины, и впрыскивать её в поток газов перед SCR специальной форсункой, также подогреваемой.
Реакции получения аммиака из мочевины, гидролиз и тепловая декомпозиция, эффективно шли начиная с температуры газов в 180 градусов, это вторая причина почему такой катализатор предпочтителен для мощностных режимов, с повышенной отдачей, когда температура газов перед форсункой и на его входе превышала это значение.
Так как эффективность преобразования SCR сильно снижалась при долгом воздействии высоких температур, и так как для её максимизации он должен работать в своём индивидуальном диапазоне, 250-350 градусов, то он по возможности относился от двигателя. Хотя в удешевлённом варианте стали наносить SCR покрытие на фильтр DPF, получив SCR-DPF. Но, момент, традиционно DPF был расположен как раз максимально близко от двигателя, поэтому подвергался воздействию высоких температур, как в обычном режиме отжига, так и при разовом. Возникла проблема ускоренного старения SCR покрытия.
К тому же эффективность SCR сильно снижалась при отклонении соотношения NO/NO2 от 1:1, что было дополнительной проблемой. К тому же, часть аммиака проскальзывала через него, и пришлось на его выходе ставить уже катализатор аммиака, или ASC.
Возникала и компоновочная проблема, внедрение впрыска мочевины потребовало наличия места под бак для неё, не такого и маленького, ведь для эффективного преобразования на легковом авто среднего класса нужно было до 2,5 литров на 1,000 км, что даже для межсервисного интервала в 15 тысяч километров приводило к баку объёмом около 40-ка литров. Для существовавшего в Европе межсервисного интервала до 35 тысяч километров для легкового дизеля, бака уже в 90 литров. И первый и второй бак в рамках существующих плотно упакованных платформ вместить было некуда, поэтому пришлось или снижать расход мочевины со снижением эффективности очистки, или отдавать её заправку в руки пользователей. Что требовало от них не только высокой исполнительности, но и наличия сети продажи мочевины, не менее широкой, чем сеть АЗС. Фактически, операторы АЗС должны были за свои деньги внедрить её везде, с непредсказуемым спросом и возвратом инвестиций.
В Европе производителям легковых машин помогла сеть заправок мочевины на АЗС, созданная под грузовые нужды, так как там внедрение SCR и её впрыска произошло несколько ранее, при введении грузовых нормативов по выбросам оксидов азота. В США таких нормативов, и сети заправки мочевины просто не было.
Как и с LNT, море проблем. При этом, как и с фильтром DPF, скорость температурной деградации катализаторов LNT и SCR предопределила срок экономически обоснованной службы авто с их использованием, и скорость обесценивания машины у первого владельца.
Всё это к слову и было причиной почему к началу 2000-х все свернули проекты разработки бензиновых моторов, работающих на обеднённой смеси, развивашиеся до этого очень активно. Слишком много проблем с катализаторами, при значительном усложнении двигателя, к тому же работающего на этой обеднённой смеси нестабильно, с нестабильным переходом к работе на около-стехиометрической, и всё это при не очень высоком итоговом выигрыше в расходе топлива.
В 2006-м на федеральном уровне в США существенно ужесточили нормативы по выбросам (Tier 2 Bin 5), с введением их в действие в 2009-м, выведя требования на уровень калифорнийских (LEV II). Поэтому, внутренние меры и EGR легковому дизелю уже не помогали, и подобная катализаторная очистка от оксидов азота на этом рынке стала неизбежной. Хоть она и была несовершенной, компромиссной, и все это понимали.
В таких условиях Бенц и Фольксваген решили выйти на рынок США с дизельной технологией, по их заявлениям “особо чистой”.